對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議探究

1、一 、 引 言隨著硬件技術(shù)的發(fā)展 , 低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)可以僅 由單獨(dú)的芯片組成 , 在這個(gè)芯片中將會(huì)集成內(nèi)存 、 處理 器和收發(fā)裝置等 。 與其他的移動(dòng)裝置相比 , 低的功率容 量限制了傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍和覆蓋區(qū)域 。 因此 , 在 目標(biāo)跟蹤和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中 , 傳感器網(wǎng)絡(luò)要有大量的 節(jié)點(diǎn)才能覆蓋目標(biāo)區(qū)域 。與其他的無線網(wǎng)絡(luò)相比 , 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中給其 節(jié)點(diǎn)充電或更換電池是比較困難的 , 也是不太實(shí)際的 , 因此最大化地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)的生命周期將是我們工 作的主要目標(biāo) 。 通常情況下 , 節(jié)點(diǎn)的通信過程比其計(jì)算 過程消耗能量更多 , 所以要保證在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提 下使通信過程最小化

2、 。 盡管如此 , 在由多個(gè)低工作周期 的節(jié)點(diǎn)所組成的密集網(wǎng)絡(luò)中 , 考慮到能量的效率 , 媒體 接入的方法仍是一個(gè)難以解決的問題 。在本文的第二部分 , 將介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性 及在媒體接入通信中所隱含的能量浪費(fèi)的原因 。 第三部 分是本文的主體 , 將給出傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些重要的 MAC 層協(xié)議 , 并列舉它們的優(yōu)缺點(diǎn) 。 同時(shí) , MAC 層和其 他層融合的方法和相關(guān)協(xié)議也會(huì)在此部分進(jìn)行探討 。 二 、 與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的 MAC 層協(xié)議特性 傳感器節(jié)點(diǎn)的電量耗完后 , 我們將會(huì)丟棄此節(jié)點(diǎn) , 因此傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要目的就是使網(wǎng)絡(luò)的存在時(shí) 間最大化 。 在這種情況下 , 所提出的 M

3、AC 層協(xié)議就需要 減少潛在的能量浪費(fèi) 。1. 能量浪費(fèi)的原因 當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到多于一個(gè)的分組且 有部分沖突發(fā)生時(shí) , 這些分組則被稱為 “ 有沖突的分 組 ”, 發(fā)生沖突的所有分組都將會(huì)被丟棄或重新發(fā)送 , 而 這將導(dǎo)致能量消耗的增加 ; 串?dāng)_ , 即節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)給 其他節(jié)點(diǎn)的分組 ; 控制分組的費(fèi)用 , 我們將盡量滿足 使最小數(shù)量的控制分組用于數(shù)據(jù)的發(fā)送 ; 空閑監(jiān)聽 引起的 , 即監(jiān)聽一個(gè)空閑的信道以接收可能的信息量 ; 當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)未準(zhǔn)備就緒時(shí) , 信息的發(fā)送已經(jīng)開始而 引起的 。 在設(shè)計(jì) MAC 協(xié)議時(shí)應(yīng)避免以上 5種能量浪費(fèi) 情況的發(fā)生 。2. 通信的方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定

4、義了 3種類型的通信方式 :廣 播 (broadcast , 匯 聚 播 (convergecast 和 本 地 傳 播 (local gossip 。 廣播類型通常是由基站 (稱為 sink 所使 用 , 它用來將一些信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn) 。 廣播 信息包括有對(duì)傳感器詢問處理結(jié)構(gòu)的詢問 , 節(jié)點(diǎn)的程序 更新以及整個(gè)系統(tǒng)的控制分組 。 廣播類型的通信方式不 要和廣播類型分組相混淆 。 對(duì)于前者 , 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié) 點(diǎn)都是接收者 ; 而對(duì)于后者 , 接收者則是那些在發(fā)送節(jié) 點(diǎn)通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn) 。在某些情況下 , 檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)入一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)的 傳感器將會(huì)在本地互相進(jìn)行通信 , 這種通信方式

5、被稱作 本地傳播 。 傳感器將在一定范圍內(nèi)發(fā)送一條消息給它的 鄰居節(jié)點(diǎn)們 , 檢測(cè)到有新的進(jìn)入者的傳感器需要將其所 感知到的信息傳送到信息中心 , 這種通信方式又被稱為 匯聚播 , 一組傳感器將和一個(gè)特有的傳感器進(jìn)行通信 。 目的節(jié)點(diǎn)可以是數(shù)據(jù)匯聚中心 、 基站等 。3. 優(yōu)良的 MAC 協(xié)議的特征一是能量高效的協(xié)議有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間 ; 二是具有對(duì)于變化的可預(yù)測(cè)性和自適應(yīng)性 。 網(wǎng)絡(luò)大小 、 節(jié)點(diǎn)的密度和拓?fù)涓淖冎?, 對(duì)于一個(gè)成功的自適應(yīng)系收稿日期 2010-02-28中 國(guó) 管 理 信 息 化 C hina Management Informationization2010年 8

6、月 第 13卷第 15期Aug. , 2010 Vol . 13, No . 15無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC 層協(xié)議探究曹自力(青島 4808廠 監(jiān)修室 , 山東 青島 266001摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前很熱門的研究領(lǐng)域 , 有著很廣泛的應(yīng)用前景 , 但是由于較低的感應(yīng)范圍使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 十分密集 , 因此采用一種高效的媒體接入?yún)f(xié)議顯得十分必要 。 本文首先列舉出在設(shè)計(jì) MAC 層協(xié)議時(shí)所需要考慮的一 些關(guān)鍵特性 , 然后具體描述各種 MAC 協(xié)議 , 并指出它的優(yōu)缺點(diǎn) , 得出結(jié)論 。關(guān)鍵詞MAC 層協(xié)議 ; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 探究 ; 融合doi:10. 3969/j.issn. 167

7、3-0194. 2010. 15. 032中圖分類號(hào) TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-0194(2010 15-0074-0374/CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION統(tǒng)應(yīng)該可以進(jìn)行快速而有效的處理 。 其他要素 , 如等待 時(shí)間 、 吞吐量和帶寬利用率等 , 對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)都是次要 的 。 另外公平性在其他無線網(wǎng)絡(luò)中會(huì)顯得比較重要 , 但 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中則不是設(shè)計(jì)的目標(biāo) 。 因?yàn)樗械膫?感器節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行的是同樣的工作 。三 、 常見的 MAC 層協(xié)議針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性 , 已經(jīng)提出了很多種 MAC 層協(xié)議 。1. Sensor-MAC

8、(S-MAC 該協(xié)議將時(shí)間分幀 , 幀長(zhǎng)度由應(yīng)用程序確定 , 幀內(nèi) 分為工作階段和休眠階段 。 2002年版本中 , 工作階段持 續(xù)時(shí)間是固定的 。 2004年版本為了更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)突 發(fā) , 協(xié)議將工作階段改為長(zhǎng)度可調(diào) , 在休眠階段 , 節(jié)點(diǎn)關(guān) 閉射頻模塊 , 緩存在此期間采集到的數(shù)據(jù) , 在工作階段 集中發(fā)送 。 通過同步消息 , 相鄰節(jié)點(diǎn)可以采用相同的工 作 /休眠策略 , 新節(jié)點(diǎn)也可以加入進(jìn)來 , 這種機(jī)制在協(xié)議 中稱為虛擬簇 。 基于這些同步的本地化管理同步和周期 性的工作 /休眠策略形成了 S-MAC 協(xié)議的基本思想 。 相 鄰節(jié)點(diǎn)形成虛擬簇來建立一個(gè)共同的休眠策略 。 如果兩

9、個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)不同的虛擬簇 , 它們將在兩個(gè)簇的 工作階段都處于喚醒狀態(tài) , 這會(huì)導(dǎo)致更多的能量消耗 。 S-MAC 的一個(gè)很重要的特征是采用了消息傳遞技 術(shù) , 很好地支持長(zhǎng)消息發(fā)送 。 對(duì)于無線信道 , 傳輸差錯(cuò)與 包長(zhǎng)度成正比 。 根據(jù)這一原理 , 將長(zhǎng)消息分為若干短包 , 采用一次 RTS/CTS握手 , 集中連續(xù)發(fā)送全部短包 , 既可 以提高發(fā)送成功率 , 又有效地減少了控制開銷 。周期性的休眠可能會(huì)導(dǎo)致高的等待時(shí)間 , 尤其是對(duì) 于多跳路由算法 , 因?yàn)樗械南噜徆?jié)點(diǎn)都有它們自己的 休眠策略 , 它們可能會(huì)互相造成影響 。 由周期性休眠所 引起的等待時(shí)間我們稱之為休眠延遲 。

10、自適應(yīng)的監(jiān)聽技 術(shù)可以改善這種延遲 。該協(xié)議的擴(kuò)展性較好 , 可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變 化 , 可以有效地改善由于空閑監(jiān)聽所導(dǎo)致的能量浪費(fèi)問 題 ; 缺點(diǎn)是協(xié)議實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜 , 需要占用大量的存儲(chǔ)空 間 , 這在資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)中顯得尤為突出 。 2. Timeout-MAC (T-MAC 該協(xié)議工作方式是將時(shí)間分幀 , 幀長(zhǎng)度固定 , 工作 階段長(zhǎng)度可變 。 協(xié)議定義了 5種事件和一個(gè)計(jì)時(shí)器 TA , 以確定工作階段的結(jié)束時(shí)間 。 5種事件分別為 : 幀長(zhǎng) 度超時(shí) ; 節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù) ; 數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突 ; 節(jié) 點(diǎn)數(shù)據(jù)或確認(rèn)發(fā)送完成 ; 鄰居節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換 (如 果在 TA 內(nèi) ,

11、射頻模塊沒有偵聽到這 5種事件中的任何 一種 , 就認(rèn)為信道進(jìn)入空閑狀態(tài) , 節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊 , 轉(zhuǎn) 入休眠階段 。由于 T-MAC 的實(shí)現(xiàn)機(jī)制與 2004版的 S-MAC 基 本相同 , 它們的性能也很接近 。3. Traffic-Adaptive MAC (TRAMA TRAMA 提出了在能量效率方面增加對(duì) TDMA 的 利用 。 時(shí)間被分為隨機(jī)接入和預(yù)定接入 。 隨機(jī)接入階段 用來建立兩跳拓?fù)湫畔?, 信道接入是基于競(jìng)爭(zhēng)策略的 。 一個(gè)基本的假設(shè)是通過應(yīng)用層傳遞的信息 , MAC 層能 夠計(jì)算出所需要的傳輸時(shí)間 。相比于那些基于 S-MAC 的協(xié)議 , 該協(xié)議具有更長(zhǎng) 的休眠時(shí)間和更少

12、的減少?zèng)_突的比例 。 因?yàn)轭A(yù)定的接收 方是利用位圖來顯示 , 通信方式很少采用多播和廣播的 形式 。4. Data-gathering MAC (D-MAC D-MAC 的基本目標(biāo)是達(dá)到較低的等待時(shí)間 , 但同 時(shí)也能夠保證能量的效率 。 D-MAC 分析了 S-MAC 和 T-MAC 協(xié)議的自適應(yīng)工作 /休眠策略 , 發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 中斷問題 , 并提出了擺動(dòng)喚醒策略來解決這個(gè)問題 。 從 傳感器節(jié)點(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)形成一棵數(shù)據(jù)匯集樹 , 樹中的數(shù) 據(jù)傳輸是單向的 , 由子節(jié)點(diǎn)到父節(jié)點(diǎn) 。 節(jié)點(diǎn)采用工作 /休 眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換 。 擺動(dòng)喚醒策略調(diào)整樹中每層節(jié)點(diǎn)的工作周 期 , 使子節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間與父節(jié)點(diǎn)

13、的接收時(shí)間重合 , 在 最理想情況下 , 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)一直進(jìn)行 , 沒有任何延遲 。 5. MAC 層與其他層的融合在傳感器網(wǎng)絡(luò)中 , 關(guān)于將網(wǎng)絡(luò)中不同層間融合為一 層及在網(wǎng)絡(luò)層和 MAC 層之間進(jìn)行跨層交互的問題 , 目 前所進(jìn)行的研究還是很有限的 。S.Cui , R.Madan 等曾經(jīng)對(duì) MAC 層與物理層之間的 集成和網(wǎng)絡(luò) /MAC/物理層之間集成的目標(biāo)進(jìn)行了研究 , 并且提出了一種可變長(zhǎng)度的 TDMA 方案 。 在這種方案 中 , 時(shí)隙的長(zhǎng)度是根據(jù)最優(yōu)化的能量耗費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行分 配的 。 在這些標(biāo)準(zhǔn)中 , 最關(guān)鍵的值是每個(gè)節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的 通信量的信息和每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的距離 。 根據(jù)這些值

14、, 提出了一種線性可編程問題并加以解決 , 同時(shí)還確定了 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中最優(yōu)化的時(shí)隙的數(shù)量以及相關(guān)的路由策 略 。 然而這種方案需要龐大的計(jì)算量并且很難適應(yīng)目前 存在的系統(tǒng) 。多跳架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將 MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層集成 的另一種方法 。 J.Ding , K.Sivalingam 等人提出了一種分 層的多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) , 在這種結(jié)構(gòu)中 , 到達(dá)基站的跳數(shù)相 同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被歸類于同一層 。 信道接入是基于 TDMA 企業(yè)管理信息化 75CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION /一 、 引 言信貸管理系統(tǒng)是銀行對(duì)其資產(chǎn)信貸業(yè)務(wù)進(jìn)行全面 的信息化管理系統(tǒng) , 它包括客

15、戶信息管理 、 評(píng)級(jí)授信管 理 、 信貸審批管理 、 貸后監(jiān)管與預(yù)警 、 五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分類管 理 、 低質(zhì)押物管理 、 不良資產(chǎn)管理 、 業(yè)務(wù)分析等方面的管 理 。 信貸管理系統(tǒng)的目的是控制和降低信貸風(fēng)險(xiǎn) , 降低 管理成本 , 提供方便快捷的信貸服務(wù) , 提供決策支持 , 其 中控制和降低信貸風(fēng)險(xiǎn)是其根本目的 。信貸管理系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的管理系統(tǒng) , 對(duì)各 個(gè)方面的要求十分嚴(yán)格 , 如系統(tǒng)性能 、 安全性等 。 數(shù)據(jù)庫(kù) 是整個(gè)信貸管理系統(tǒng)的核心 , 它存放的是銀行的所有客 戶資料數(shù)據(jù)和貸款賬戶數(shù)據(jù) , 其安全性十分重要 ; 由于 信貸管理系統(tǒng)的在線用戶數(shù)量大 , 數(shù)據(jù)的存取頻繁 、 查 詢統(tǒng)

16、計(jì)復(fù)雜多樣 , 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存取性能要求很高 。 下面就從業(yè)務(wù)功能方面談?wù)剺?gòu)建信貸管理系統(tǒng)數(shù) 據(jù)庫(kù)的幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 。 本文所引用的數(shù)據(jù)庫(kù)模型是筆者 全程參與設(shè)計(jì)和修改維護(hù)的一個(gè)信貸管理系統(tǒng)的后臺(tái) 數(shù)據(jù)庫(kù) , 經(jīng)歷了 3個(gè)省級(jí)商業(yè)銀行的成功實(shí)施 , 歷時(shí) 3年 , 幾經(jīng)修改 。二 、 設(shè)計(jì)原則(1 規(guī)范性 。 在設(shè)計(jì)和操作維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí) , 關(guān)鍵的 步驟就是要確保數(shù)據(jù)正確地分布到數(shù)據(jù)庫(kù)的表中 。 使用 正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) , 不僅便于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的存取操 作 , 而且可以極大地簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的其他內(nèi)容 , 如查詢 、 頁面 、 報(bào)表 、 代碼等 。(2 正確性 。 數(shù)據(jù)庫(kù)要能正確地描述信貸業(yè)務(wù)的信 息

17、 、 過程 、 關(guān)系 , 錯(cuò)誤的信息描述將會(huì)帶來不可預(yù)知的問 題 , 所以 , 在設(shè)計(jì)表時(shí) , 要多與銀行信貸業(yè)務(wù)人員 、 管理 人員 、 高層領(lǐng)導(dǎo)溝通 , 從多個(gè)角度正確理解業(yè)務(wù)對(duì)象的 信息內(nèi)容 、 用途和關(guān)系 , 寧缺毋濫 。(3 安全性 。 信貸管理系統(tǒng)的各個(gè)層面都要求有安 全性保障 , 有應(yīng)用程序?qū)用娴?、 操作系統(tǒng)層面的 、 數(shù)據(jù)庫(kù) 層面的等 。 而對(duì)于繞過應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)直接進(jìn)入數(shù) 據(jù)庫(kù)的操作 , 則更具危險(xiǎn)性 , 所以 , 數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)計(jì)和部署 時(shí)要求有防篡改的手段或輔助的設(shè)計(jì) 。收稿日期 2010-02-28中 國(guó) 管 理 信 息 化 C hina Management Inf

18、ormationization2010年 8月 第 13卷第 15期Aug. , 2010 Vol . 13, No . 15商業(yè)銀行信貸管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 黃承明(衡陽財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系 , 湖南 衡陽 421002摘 要 信貸管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是信貸管理系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)之一 , 直接關(guān)系到應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu) 、 性能 、 安全等 。 本 文將從系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能 、 性能需求方面結(jié)合 3年來信貸管理系統(tǒng)實(shí)施中數(shù)據(jù)庫(kù)的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn) , 對(duì)信貸管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的 設(shè)計(jì)要點(diǎn)做了較詳細(xì)的分析 , 并提供了相應(yīng)的解決方案 。關(guān)鍵詞銀行信貸管理系統(tǒng) ; 信貸 ; 數(shù)據(jù)庫(kù) ; 設(shè)計(jì) ; 性能 ; 安全doi:10. 3969/j.issn. 1673-0194. 2010. 15. 033中圖分類號(hào) F830.33; TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1